探討運動控制技術趨勢

近年來，自動化產品的革新趨勢可以稱之為如火如荼。尤其是之前的兩到三年，在市場熱潮的強力助推下，各種新技術、新概念不斷脫穎而出。而種種新技術和基于此開發的運動控制產品從廠商大張旗鼓的宣傳攻勢上，真正走到用戶的機械產品上，恐怕并不是一個短暫而順利的過程。
種種新技術和基于此開發的運動控制產品從廠商大張旗鼓的宣傳攻勢上，真正走到用戶的機械產品上，恐怕并不是一個短暫而順利的過程。盡管廠商研發的方向都是以需求為導向，但仍存在以上的問題。尤其是在我國機械自動化水平還存在很大差異化的時候，新技術是否能夠切實解決用戶的問題才是決定其能否盡快跳下紙面的因素。尤其是在當前的情境下，運動控制新技術能否與實際需要很好地契合，是最受人關注的。


需求呈多元化 更須切合實際
目前，由于用戶的層次較多，市場需求仍然呈現出多元化的特點。用戶的需求，甚至用戶的下游用戶的需求都會對廠商的研發、設計方向產生影響。盡管這是再正常不過的現象，但以需求為研發導向的廠商們，由于主要面對的用戶不同，對于市場需求的理解角度和研發方向也各有千秋。
凌華科技的丁辰龍認為，作為自動化產品的主要執行機構的控制組件，速度與精度一直是運動控制產品能力的主要衡量指標。隨著自動化能力的提升，生產制造速度的提高一直是追求生產成本最小化的最直接的手段，所以近年來對于單位時間的生產效率的提高是很多設備商追求的首要指標，而作為執行控制機構的運動控制器往往是首當其沖被要求提速的，而產品外觀的小型化，要求產品所有組件的小型化，因此制造精度成為另外一個被要求提高的指標。值得一提的是，他將第三個指標定位在了能耗，由于制造業的能耗成為全球主要的能源消耗，所以節能的要求也在制造業被著重指出。為了適應這些需求，運動控制開始節約不必要的中間環節，提高內部對于輸入和輸出的響應速度，講求多軸之間高速協同控制，將原先需要軟件擬合的算法，更多改由獨立的并行處理器完成。
由于用戶對綜合需求的關注越來越高，集成化又日益成為自動化技術發展的一個方向，致使很多對不同自動化設備要求的分野也模糊起來。羅克韋爾自動化的鄭宇銘指出：比較通用的控制平臺、簡單的開發環境、信息化和安全性的兼顧等這些本來是非運動控制而是設備本身的要求，現在也被加到了運動控制領域中。同時，原來比較昂貴的高性能運動產品的普及化，將成為趨勢（如直線電機、直接驅動、多自由度機械臂等）。他也強調，各個行業對運動控制的要求并不一樣，不管是研發還是選購，還是要從實際情況出發。
　　丹納赫傳動的高級技術工程師郭海東同樣強調實際情況的多樣性，他以位置輪廓指令方式、速度指令方式、電流（轉矩）指令方式三種控制方式舉例，說明對于不同層次、不同場合的需求，所選用的方式是不同的。
　　位置輪廓指令方式可以控制步進電機驅動器或伺服電機驅動器，不太適合做多軸復雜的協調運動，常見于低端機型的控制，目前用量龐大；速度指令方式，位置環控制在控制器內完成，這種典型的控制方式，適合于大多精度或動態指標不太高的應用，大多數控制卡都支持這種控制方式；而電流（轉矩）指令方式，速度環和位置環控制都在控制器內完成，精密或高動態響應一般使用此方式，對控制器中央處理器運算能力要求最高，主流控制卡大都支持這種控制方式。更進一步的是將電流控制器也納入控制卡中，輸出直接控制功率變換器。
　　而郭海東進一步指出，一旦引入多軸協調控制，在這樣的系統下，因電流指令方式輸出的控制器可以直接協調各個軸的轉矩，從而提高了協調各軸位置的響應速度；傳統的模擬量輸出方式因其分辨率的限制而難以再提高運動的精度和響應速度，不得不采用運動控制總線；運算速度低的運動控制器也難以完成復雜算法的解算，這也催生了采用64位雙精度浮點DSP的控制器的誕生。
運動控制尋求開放性
　　上文也曾提及，用戶之間的競爭使他們對于機械設備的整體性能日益關注，機械設備的運動也越來越復雜。如此一來，運動控制產品的開放性也成為了一個越來越普遍的話題。尤其是多軸協同控制等進一步的要求紛紛浮現時，就使得運動控制產品不得不尋求與網絡技術的結合，以達到更優秀的同步效果。與此同時，這也解決了運動控制部件與其他自動化部件無縫集成的問題。
　　對此，西門子的段誠指出，大部分場合都需要運動控制產品有很強的網絡支持能力，越高端的機械，對運動控制產品間的網絡速度及傳輸數據的能力要求越高。網絡支持能力的高低決定了機械系統的加工精度與加工速度。
　　事實上，盡管低端的應用仍然為數眾多，運動總線、工業以太網等通訊技術的成熟卻已經開始形成氣候。當解決掉通訊的確定性和高速實時性的兩難問題后，各有所長的工業以太網標準幾乎同時加入了競爭，最具代表性的包括EtherCAT、EtherNet/IP (CIP motion)、POWERLINK、PROFINET等，而在這些標準背后則是大廠商們的森森陣營。在不久之前，人們還在擔心多標準帶來的封閉性，現在則似乎已不成為大問題，競爭也使不同的廠商開始了廣泛的合作。
　　這無疑為運動控制帶來了福音。而現在，一些廠商也開始考慮運動控制與機器視覺技術加以結合，用來滿足更具智能化的應用方案。對此，凌華的丁辰龍表示，整體自動化速度與精度的提高是產業需求，是無法完全依靠運動控制單一完成的，與機器視覺、高速傳感器的結合是必然之路，這是產業升級的必然趨勢，而各個組件之間的技術門檻都是較高的，因此融合必然首先發生在彼此間的接口上，而具備長距離和高速的網絡技術，自然成為各家都能承認的共同規格，也會成為熱門的技術而受到追捧。
　　而羅克韋爾自動化的鄭宇銘也指出，從設備發展看，運動控制作為設備控制的一部分，勢必需要與各種技術融合。例如，信息、安全、視覺，甚至過程控制等等。兼顧這些方面的能夠提高整機設備的各方面性能，降低使用和開發的整體成本將成為其優勢體現的重要方面。
　　而這些，與運動控制技術的開放性是難以分開的。


　　研發方向各有千秋 市場針對性強
　　面對如此形勢，運動控制廠商們自然也選擇了各自的特色。我們也注意到，這些技術和概念雖然方向不同，但其面對市場的針對性都是極強的。
　　西門子面對多元化需求，所展現出的特色之一是產品的種類多，適應性強。段誠強調，多元化需求要求針對不同的硬件平臺，供應商都能提供不同的產品與之配套，做到針對不同用戶的不同的全套自動化系統的集成，并做到從用戶角度的性價比合理。
　　其產品的設置，也充分體現出這一特點：Simotion是西門子集邏輯控制、工藝控制及運動控制于一體的高性能運動控制器，三種不同的硬件平臺Simotion C（基于PLC的運動控制器）、Simotion D（基于驅動器的運動控制器） 和 Simotion P（基于工業PC機的運動控制器）以及三種編程語言梯形圖（LAD）運動控制圖表（MCC）和結構文本（ST），能滿足各種生產機械的運動控制要求。
　　Sinamics S120是新一代的高性能驅動系統，集V/F、矢量、伺服控制于一體，既能控制普通的三相異步電動機，又能控制高動態高性能的同步伺服、力矩及直線電機，既能實現高精度的閉環速度控制，又能實現位置控制，能滿足各種生產機械的驅動控制要求。
　　而Sinamics V80 伺服驅動系統是西門子專為小型簡易機械開發的經濟型伺服驅動產品，其經濟的價格、簡易便捷的設定、無需參數化的配置方式為人稱道，配以Sinamics S7-200 PLC，則充分體現出經濟實用的特點。
　　而同樣作為以集成化整體解決方案見長的羅克韋爾自動化，也盡早提出了集成運動控制解決方案Kinematix。鄭宇銘認為，由于制造信息化的需求，這將仍然是運動控制系統的發展方向和趨勢。羅克韋爾自動化的Kinematix在繼續不斷完善IA集成架構平臺本身的同時，還將不斷增添更多模塊化的運動控制功能和組件（如Kinematix等），以滿足各行業不斷增長的各種應用需求。
　　集成運動控制也包含了運動控制系統和機械設備的有機融合——MECHATRONICS(機電一體化)，這種系統設計方法將有助于大大優化設備設計、制造，提高生產效率，減少設計調試、時間和維護費用，降低整體使用成本和風險。通過全新的運動分析軟件MOTION ANALYZER將幫助改善運動控制系統的機電一體化設計。
　　從設備安全方面考慮，羅克韋爾自動化很早就提出了安全型運動控制的方案，作為整體設備安全的重要部分，從而在不同的場合滿足不同級別的設備安全需求。另外，一些新的技術也會應用到羅克韋爾的新產品中，如直接驅動產品、單軸多軸直線驅動平臺、電動缸直線驅動、直線電機系統等等。
　　而凌華對于運動控制發展的趨勢，則有著自己的一套看法。丁辰龍認為，完整可用的運動控制解決方案在廣義上來說是不存在的，但在各個廠商所熟悉的行業往往具備很多有共性的技術需求，就能形成通用性的解決方案，而幾個類似或者衍生的行業也會有相類似的技術需求，可以整合為整體的方案，這是大而全的需求。而目前高性價比的需求要求靈活配置，按需生成方案，這又是小而精的需求。這兩者的協調與統一，即構成每個企業的產品研發策略。
他介紹，與在多種硬件平臺上都傾瀉火力的廠商不同，凌華科技尋求形成一套完整的基于PC的行業應用與產品解決方案，既存在脈沖控制，也存在模擬量控制；既存在集中式，也存在分散式的系統。最近凌華也在研究基于以太網的接口的IO控制、運動控制和機器視覺模組，其應用也向其他行業做了很多拓展。
　　當面對經濟震蕩的沖擊時，業內人士對新技術的態度不盡相同。一種觀點認為，對于特定的行業來說，經濟危機為新技術帶來的影響勢必是負面的，尤其是對于附加值相對較高的新技術產品而言，在價格上無優勢可言；相反的觀點則認為，在經濟危機的影響下，用戶反而有可能通過尋求更高端的自動化產品提高競爭力，縮減綜合成本，而且價格高并不等于性價比就一定低，認為新技術在險惡的經濟環境中還是有機遇的。
　　也許，技術的革新即便在經濟形勢高歌猛進的情況下也是一種冒險，然而停滯不前則注定無法避免山重水復的一天。